Langs den skumle bund af Amazonas-floden gennemsøger serpentinfisk kaldet elektriske ål mørket efter uforsigtige frøer eller andre små byttedyr. Når man svømmer forbi, udløser fisken to 600-volts pulser af elektricitet for at bedøve eller dræbe den. Denne højspændingsjagttaktik er karakteristisk, men en håndfuld andre fiskearter bruger også elektricitet: De genererer og fornemmer svagere spændinger, når de navigerer gennem mudret, langsomt bevægende vand, og når de kommunikerer med andre af deres arter gennem blide stød, der ligner morsekode. .
Normalt, når flere arter deler en evne så usædvanlig som at generere elektricitet, er det fordi de er nært beslægtede. Men de elektriske fisk i floderne i Sydamerika og Afrika spænder over seks forskellige taksonomiske grupper, og der er tre andre marine slægter af elektriske fisk ud over dem. Selv Charles Darwin funderede over både nyheden i deres elektriske evner og den mærkelige taksonomiske og geografiske fordeling af dem i På Arternes oprindelse, skrivning, "Det er umuligt at forestille sig, med hvilke trin disse vidunderlige organer er blevet produceret" - ikke bare én gang, men gentagne gange.
A nyligt papir offentliggjort i Science Forskud hjælper med at opklare dette evolutionære mysterium. "Vi følger egentlig bare op på Darwin, som de fleste biologer gør," sagde Harold Zakon, en integrativ biolog ved University of Texas, Austin og co-senior forfatter af undersøgelsen. Ved at samle genomiske spor sammen afslørede hans team i Texas og kolleger ved Michigan State University, hvordan en række påfaldende lignende elektriske organer opstod i elektriske fiskeslægter adskilt af omkring 120 millioner års evolution og 1,600 miles af havet. Som det viser sig, er der mere end én måde at udvikle et elektrisk orgel på, men naturen har nogle yndlingstricks at falde tilbage på.
De sydamerikanske og afrikanske fisk, som Zakons gruppe studerer, får deres zap fra specialiserede elektriske organer, der strækker sig langs det meste af deres krop. Modificerede muskelceller kaldet elektrocytter i organerne skaber natriumiongradienter. Når natrium-gate-proteiner i elektrocytternes membraner åbner, producerer dette et strømudbrud. "Det er omtrent det enkleste signal, du kunne forestille dig," sagde Zakon.
I muskler strømmer disse elektriske signaler gennem og mellem celler for at hjælpe dem med at trække sig sammen for bevægelser, men i de elektriske organer er spændingen rettet udad. Styrken af hvert stød afhænger af, hvor mange elektrocytter der affyres på én gang. De fleste elektriske fisk affyrer kun få ad gangen, men fordi elektriske ål pakker et usædvanligt højt antal elektriske celler, kan de udløse spændinger, der er kraftige nok til at dræbe små byttedyr.
I det nye værk, Zakon, hans tidligere forskningstekniker Sarah LaPotin (nu en ph.d.-kandidat ved University of Utah) og hans andre kolleger rekonstruerede et nøgleaspekt af udviklingen af disse elektriske organer ved at spore fiskenes genomiske historie.
Det begyndte for mellem 320 millioner og 400 millioner år siden, da forfaderen til alle fisk, der er klassificeret som teleosts, overlevede en sjælden genetisk ulykke, der kopierede hele dens genom. Helgenomduplikationer er ofte dødelige for hvirveldyr. Men fordi de skaber overflødige kopier af alt i genomet, kan duplikationer også åbne op for tidligere uudnyttede genetiske muligheder. "Pludselig har du kapaciteten til at lave en helt ny vej i stedet for bare et nyt gen," sagde Gavin Conant, en systembiolog ved North Carolina State University, som ikke var involveret i undersøgelsen.
For nyere forfædre til nutidens ferskvandselektriske fisk, som er teleost, betød duplikationen, at de havde en ekstra kopi af et gen til en vigtig natriumpumpe. Et eksemplar fortsatte med at arbejde i muskelceller; den anden erhvervede mutationer, der gav karakteristiske elektriske egenskaber til elektrocytter.
Men afgørende, før nogen elektriske organspecifikke tilpasninger kunne vedtages, skulle den anden kopi af genet først deaktiveres i muskelceller - ellers ville de nye elektrocytters evner have forstyrret bevægelsen. Og da Zakon og hans kolleger så på, hvordan den elektriske fisk slukkede genet, blev de overraskede over at opdage, at forskellige slægter af elektriske fisk gjorde det forskelligt.
I muskelvævet hos den afrikanske fisk var natriumpumpe-genet stadig funktionelt, men ligesom en lås uden nøgle kunne det ikke aktiveres uden hjælpemolekyler, som muskelvæv ikke lavede. Hos de fleste af de sydamerikanske fisk manglede pumpen bare i musklerne - natriumpumpegenet var stort set inaktivt, fordi det manglede et væsentligt kontrolelement, der specifikt øger ekspressionen af natriumpumpen i muskler. I en ulige linje af sydamerikanske fisk fungerede genet stadig i muskler. Det var midlertidigt inaktivt hos unge fisk, men blev tændt igen, da et helt andet sæt gener overtog kontrollen over natriumkanalen i det elektriske organ, efterhånden som fisken modnedes.
Så i en lærebogssag om konvergent evolution, slog de forskellige slægter af fisk uafhængigt på strategien med at modificere deres muskelvæv for at skabe elektriske organer, og de gjorde det endda ved at få deres natriumpumper til at arbejde selektivt i forskellige væv. Men de divergerede i præcis, hvordan de regulerede pumperne.
Ofte, når videnskabsmænd undersøger et tilfælde af konvergent evolution, viser egenskaberne sig at opstå ved i det væsentlige den samme mekanisme, forklaret Johann Eberhart, en molekylærbiolog ved University of Texas, Austin og en af den nye undersøgelses medforfattere. "Men det her var helt anderledes," sagde han. "Og det synes jeg er spændende."
Conant bemærkede, at de nye resultater "en slags afspejlede, hvad vi har set" i hans egen gruppes forskning. Hans laboratorium opdagede, at mens andre teleostfisk havde mistet visse duplikerede gener til at sende signaler mellem nerver og muskler, beholdt nogle elektriske fiskeslægter dem. Uden disse nøglegener, der placerer deres elektriske organer under direkte frivillig kontrol, kunne elektriske ål ikke have udviklet deres karakteristiske potente zap.
Zakon og hans kolleger er også fascineret af den potentielle betydning af den kontrolregion, de fandt i natriumpumpegenerne, da det ser ud til at bestemme præcist, hvilke væv der udtrykker proteinet. Det samme kontrolområde optræder i natriumpumperne hos mennesker og andre hvirveldyr. Det er muligt, at mutationer, der påvirker pumpeaktiviteten i vores celler, kan forårsage eller bidrage til forskellige sundhedsproblemer, såsom muskelsvaghedstilstanden kaldet myotoni.
Den nye forskning berører kun nogle få af eksemplerne på konvergens og divergens, der vises i elektriske fisk. Nogle sydamerikanske slægter producerer svage stød ved hjælp af modificerede neuroner i stedet for modificerede muskelceller. Nogle elektriske fisk i havene har udviklet mere bizarre elektrokutionsstrategier; stjernekiggeren administrerer for eksempel stød fra modificerede muskler i øjnene.
Men for Zakon er det de konvergerende løsninger, der er mest nyttige til at løse et fundamentalt biologiens puslespil: Hvis du kunne spole evolutionens gang tilbage, ville det så spille på samme måde? At se en unik innovation er "fascinerende," sagde han, men "det besvarer ikke spørgsmålet: 'Var der kun én måde at komme dertil?'" Blandingen af konvergens og divergens set i organsystemer som dem i de forskellige elektriske fisk giver et meget rigere syn på, hvor forudsigelig - og finurlig - biologi kan være.
